面向人工林經(jīng)營(yíng)的模型庫(kù)和方法庫(kù)服務(wù)平臺(tái)*

陳 棟 吳保國(guó) 王姍姍 蘇曉慧 陳玉玲 李宜瑾

(1. 北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 北京100083； 2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心 北京100097； 3. 中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京100048)

近年來(lái)，人們對(duì)造林、撫育間伐、更新等階段的人工林經(jīng)營(yíng)模型研究逐步深入，模型規(guī)整、推廣和應(yīng)用的方式方法也備受關(guān)注，隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，面向人工林經(jīng)營(yíng)的決策支持系統(tǒng)成為了模型應(yīng)用的有力渠道。決策支持系統(tǒng)(decision support system，簡(jiǎn)稱DSS)概念自提出以來(lái)，其基本結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化： 早期的決策支持系統(tǒng)是由模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)交互界面3個(gè)部件構(gòu)成的兩庫(kù)結(jié)構(gòu)； 隨著研究的深入，將算法從模型庫(kù)中獨(dú)立出來(lái)構(gòu)成方法庫(kù)，擴(kuò)展成三庫(kù)結(jié)構(gòu)； 在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們又引入知識(shí)庫(kù)，形成四庫(kù)結(jié)構(gòu)。這種四庫(kù)結(jié)構(gòu)一直沿用至今，其中模型庫(kù)和方法庫(kù)是存儲(chǔ)決策支持系統(tǒng)決策所需各種模型和決策方法的數(shù)據(jù)庫(kù)。林業(yè)行業(yè)20世紀(jì)80年代末期開(kāi)始了決策支持系統(tǒng)的探索(宋鐵英， 1990； 李際平， 1991； 1994)，進(jìn)入21世紀(jì)，林業(yè)決策支持系統(tǒng)的相關(guān)研究如雨后春筍般涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外研究者相繼構(gòu)建了針對(duì)某一應(yīng)用場(chǎng)景下的林業(yè)決策系統(tǒng)原型(吳保國(guó)等， 2006； 2009a； 2009b； 楊英奎， 2015； 沈立輝， 2015； 謝黎等， 2008； 謝小魁等， 2011； 李勇等， 2003； 李大偉等， 2010； 王琳等， 2006； 薛晶， 2008； 石磊等， 2007； 肖勁鋒等， 2001； Wangetal.， 2008)，目前決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到林業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。由于森林經(jīng)營(yíng)決策領(lǐng)域的模型眾多，且對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法依賴性較強(qiáng)，因此模型庫(kù)和方法庫(kù)對(duì)森林經(jīng)營(yíng)決策支持系統(tǒng)的作用顯得尤為重要。Ren等(2014)構(gòu)建南方人工林模型系統(tǒng)，存儲(chǔ)了經(jīng)營(yíng)、效益等模型； 李勇等(2003)研究了一類DSS方法庫(kù)的可重用體系結(jié)構(gòu)； 李大偉等(2010)對(duì)決策支持系統(tǒng)的模型庫(kù)和方法庫(kù)進(jìn)行了概要設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，基于Web Service以及SOA架構(gòu)的B/S模型庫(kù)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)(Richardsonetal.， 2006； 陳砣等， 2009； Ayedetal.， 2016； Rauscheretal.， 2000； Soufietal.， 2018； Zhuetal.， 2007； Newton， 2015； 鄭廣成， 2011)，大大提升了模型庫(kù)系統(tǒng)的管理水平。森林經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域，王琳等(2016)從樹(shù)木生長(zhǎng)模型分類入手，對(duì)模型的構(gòu)建、存儲(chǔ)、管理等流程進(jìn)行了研究； 吳保國(guó)等(2009a； 2009b)為實(shí)現(xiàn)森林培育專家決策，構(gòu)建了適用于單一樹(shù)種的模型庫(kù)。綜上可見(jiàn)，現(xiàn)有森林經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)中模型庫(kù)的設(shè)計(jì)只考慮了數(shù)學(xué)公式型模型，沒(méi)有涉及程序型模型(如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模型)，且往往針對(duì)的是某一樹(shù)種或特定決策過(guò)程，缺乏通用性； 而且，在森林經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)中應(yīng)用的方法多以嵌入程序的形式存在，大大增加了方法管理的復(fù)雜度； 此外，在模型與方法的統(tǒng)一管理、依托方法庫(kù)的模型更新以及基于Web技術(shù)的面向大眾和應(yīng)用的模型與方法服務(wù)等方面鮮見(jiàn)研究報(bào)道。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本研究在分析人工林經(jīng)營(yíng)模型結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上，為降低模型和方法存儲(chǔ)與管理的復(fù)雜度，增強(qiáng)模型存儲(chǔ)的通用性和方法管理的便捷性，結(jié)合森林經(jīng)營(yíng)模型和方法的特征，利用面向服務(wù)和數(shù)據(jù)耦合思想，將模型庫(kù)和方法庫(kù)與決策系統(tǒng)解耦，分別設(shè)計(jì)模型庫(kù)和方法庫(kù)關(guān)系模式，構(gòu)建面向服務(wù)的模型庫(kù)和方法庫(kù)平臺(tái)系統(tǒng)原型，以期為人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程提供模型和方法的計(jì)算、調(diào)用和共享服務(wù)。

1 人工林經(jīng)營(yíng)模型庫(kù)研究

1.1 人工林經(jīng)營(yíng)模型分類

模型是人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然的強(qiáng)有力工具，幾乎所有領(lǐng)域都在不約而同地應(yīng)用模型來(lái)解決其領(lǐng)域問(wèn)題。人工林經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域積累了大量數(shù)學(xué)模型，涵蓋造林、撫育、間伐、經(jīng)營(yíng)優(yōu)化、更新等經(jīng)營(yíng)階段，主要包括立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型、生長(zhǎng)收獲模型、形態(tài)生長(zhǎng)模型、效益評(píng)價(jià)模型等數(shù)學(xué)方程式模型，以及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的程序塊模型，如表1所示。

1.2 人工林經(jīng)營(yíng)模型表達(dá)方式和存儲(chǔ)模式

為解決模型庫(kù)的通用性問(wèn)題，本研究針對(duì)不同模型形式的存儲(chǔ)和解析展開(kāi)探索，設(shè)計(jì)適用于不同樹(shù)種的數(shù)學(xué)方程型和程序塊型的存儲(chǔ)關(guān)系模式。為了方便存儲(chǔ)、管理和調(diào)用人工林經(jīng)營(yíng)模型，采用“數(shù)據(jù)表示法”和“程序表示法”分別表示數(shù)學(xué)方程型和程序塊型模型。

數(shù)據(jù)表示法將數(shù)學(xué)公式以字符串形式存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，如內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)地位指數(shù)模型的表達(dá)方程(韓焱云， 2015)：SI=Ht×{0.81÷[1-exp (-0.056t)]}1.36，在模型表“模型代數(shù)表達(dá)式”字段中存儲(chǔ)的公式字符串為“HT*(0.81/[1-EXP(-0.056*T)])^1.36”，解析公式時(shí)首先需要通過(guò)詞法分析識(shí)別字符串中的運(yùn)算符，然后通過(guò)語(yǔ)義分析驗(yàn)證公式的語(yǔ)義正確性，驗(yàn)證通過(guò)后利用逆波蘭式對(duì)公式進(jìn)行計(jì)算。

表1 人工林經(jīng)營(yíng)決策支持模型分類Tab.1 The decision support model classification of artificial forest management

程序表示法將模型與計(jì)算機(jī)程序融為一體，每個(gè)模型對(duì)應(yīng)一套完整程序，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的林分蓄積量模型等，模型實(shí)現(xiàn)基本使用統(tǒng)計(jì)程序語(yǔ)言進(jìn)行編寫，將模型整理為程序包文件，在模型表的“模型程序包存放地址”字段中存儲(chǔ)程序包文件的路徑，解析公式時(shí)通過(guò)路徑獲取程序包文件，經(jīng)解析后得到模型結(jié)果。

針對(duì)以上2種模型表示方式，結(jié)合人工林經(jīng)營(yíng)模型特征，構(gòu)建模型庫(kù)關(guān)系模式(王珊等， 2006)，并使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(本研究使用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù))存儲(chǔ)2種方式表示的模型。關(guān)系模式如下：

模型表(模型編號(hào)、模型名稱、模型分類、模型形式、樹(shù)種名、適用地區(qū)、模型描述、模型代數(shù)表達(dá)式、模型程序包存放地址、模型變量名列表、模型作者姓名、所屬國(guó)家、作者電子郵件、最后更新時(shí)間，備注)；

模型調(diào)用記錄表(模型編號(hào)、調(diào)用日期、調(diào)用用戶編號(hào)、模型輸出結(jié)果、備注)。

模型表用于對(duì)模型全方位表述，其中，模型分類： 模型分類的名稱(按表1中模型分類名稱進(jìn)行分類)； 模型形式： 包括“數(shù)據(jù)表示”和“程序表示”2種； 模型代數(shù)表達(dá)式： 若模型形式為“數(shù)據(jù)表示”，則填寫模型由數(shù)學(xué)方程式公式改寫的公式字符串表達(dá)式，否則為空； 模型程序包存放地址： 如果模型形式為“程序表示”，則存儲(chǔ)模型程序包存放的相對(duì)路徑，否則為空； 樹(shù)種名： 代表此模型適用于具體哪種樹(shù)種； 模型變量名列表： 模型中的變量英文字符，用逗號(hào)分隔； 備注： 說(shuō)明模型適合條件。

模型調(diào)用記錄表用于記錄模型的使用記錄，以方便對(duì)模型使用進(jìn)行分析。表中調(diào)用用戶編號(hào)為模型調(diào)用中系統(tǒng)用戶編號(hào)，模型輸出結(jié)果記錄每次調(diào)用模型產(chǎn)生的結(jié)果。

表2所示為部分人工林經(jīng)營(yíng)所需要的模型具體存儲(chǔ)示例，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)需要修改、增加、刪除模型。

表2 模型表中的存儲(chǔ)示例Tab.2 Sample storage in a model table

1.3 模型解析方法

針對(duì)數(shù)據(jù)表示和程序表示2種模型，前者通過(guò)規(guī)定模型表達(dá)式的基本語(yǔ)法規(guī)則，使用詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析和表達(dá)式計(jì)算實(shí)現(xiàn)解析過(guò)程； 后者使用R語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Rsession調(diào)用R程序包實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算。設(shè)計(jì)模型解析流程如圖1所示。在解析流程中，首先根據(jù)傳入的模型ID去模型庫(kù)中查詢具體模型，然后調(diào)出模型信息，判斷模型是數(shù)據(jù)表示模型還是程序表示模型，若為數(shù)據(jù)表示模型，則進(jìn)入程序數(shù)據(jù)解析流程，反之進(jìn)行程序模型解析流程。

1.3.1 “數(shù)據(jù)表示”模型解析 1) 詞法分析 詞法分析是讀取字符串形式的模型表達(dá)式，并將其分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的詞法單元token，如數(shù)字、操作符或函數(shù)等，構(gòu)成單詞符號(hào)序列token流。以內(nèi)蒙古赤峰市華北落葉松在立地質(zhì)量為優(yōu)時(shí)平均高模型表達(dá)方程20.597×[1-exp (-0.055t)]1.344為例(韓焱云， 2015)，模型解析的詞法分析過(guò)程如圖2所示。

圖1 模型解析流程Fig.1 Model analytic flow diagram

圖2 模型表達(dá)式詞法分析過(guò)程Fig.2 The lexical analysis process of model formula

2) 語(yǔ)法分析 語(yǔ)法分析是對(duì)詞法分析獲得的token流進(jìn)行識(shí)別并判斷其是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，如操作數(shù)個(gè)數(shù)是否符合、左右括號(hào)是否匹配等。本研究采用上下文無(wú)關(guān)(context free grammar，CFG)文法對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)法分析。

以華北落葉松在立地質(zhì)量為優(yōu)時(shí)平均高模型表達(dá)方程20.597*[1-exp(-0.055*t)]^1.344 為例，該模型的文法G1包含以下產(chǎn)生式：

G1： E->E-E|E*E|exp(E)|E^E|(E)|i

基于G1文法，采用最左推導(dǎo)，可以推導(dǎo)出i*((i-exp(i*i))^i)，推導(dǎo)過(guò)程如下：

E->E*E->E*(E)->E*(E^E)->E*(E^i)—>E*((E)^i)->E*((E-E)^i)->E*((E-exp(E))^i)->E*((E-exp(E*E))^i)->E*((E-exp(E*i))^i)->E*((E-exp(i*i))^i)->E*((i-exp(i*i))^i)->i*((i-exp(i*i))^i)

E代表算數(shù)表達(dá)式，i為數(shù)字或變量標(biāo)識(shí)符。

語(yǔ)法分析樹(shù)如圖3所示。語(yǔ)法樹(shù)根節(jié)點(diǎn)為開(kāi)始符E，葉節(jié)點(diǎn)為終結(jié)點(diǎn)。通過(guò)自頂向下的語(yǔ)法分析算法對(duì)語(yǔ)法樹(shù)進(jìn)行遍歷，并最終判斷語(yǔ)法的正確性，從而檢驗(yàn)方程式表達(dá)式的正確性。

圖3 語(yǔ)法分析樹(shù)Fig.3 Parse tree

3) 語(yǔ)義分析與模型計(jì)算 語(yǔ)義分析是在語(yǔ)法分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)模型表達(dá)式的運(yùn)算對(duì)象進(jìn)行邏輯檢查，如除數(shù)不能為0等； 同時(shí)利用逆波蘭式進(jìn)行模型表達(dá)式計(jì)算。通過(guò)構(gòu)建存儲(chǔ)器和符號(hào)棧，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和操作符。存儲(chǔ)器從左向右存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而符號(hào)棧遵循先進(jìn)后出的原則，從左向右掃描模型表達(dá)式生成逆波蘭式，從而計(jì)算逆波蘭表達(dá)式，完成模型計(jì)算。

4) 模型解析核心流程實(shí)現(xiàn) 基于以上研究，數(shù)據(jù)表示模型解析核心流程實(shí)現(xiàn)包括詞法分析、語(yǔ)法分析和模型計(jì)算。具體實(shí)現(xiàn)如下：

①詞法分析函數(shù)： LexicalAnalysis(String modelstring)，輸入的是模型公式字符串，返回的是單詞符號(hào)序列Map；

②語(yǔ)法分析函數(shù)： GrammaAnalysis(Map tokenmap)，輸入的是單詞符號(hào)序列Map，返回的是Boolean值(公式是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤，沒(méi)有返回true，有返回false)；

③ 步驟①、②是對(duì)模型公式正確性進(jìn)行校驗(yàn)，如返回true，則使用Java的ExpressionEvaluator類的eval方法對(duì)模型公式進(jìn)行計(jì)算； 如返回false，則提示錯(cuò)誤信息。

1.3.2 “程序表示”模型解析 程序包式模型類似于黑盒模式，直接輸入模型參數(shù)值，調(diào)用程序輸出結(jié)果即可完成模型計(jì)算。本研究將此類模型封裝在R語(yǔ)言程序包(王斌會(huì)， 2014)中，使用Rserver的Rsession對(duì)象調(diào)用封裝好的程序包。程序表示模型解析核心流程實(shí)現(xiàn)如下：

① 從模型表的模型讀取程序包存放地址字段，通過(guò)RserverConf對(duì)象連接Rserver服務(wù)器，獲取存儲(chǔ)在Rserver服務(wù)器上的模型程序包。

② 使用Rsession對(duì)象解析模型程序包，將參數(shù)代入。

③ 使用Rsession對(duì)象中的eval方法計(jì)算模型結(jié)果返回。

2 人工林經(jīng)營(yíng)方法庫(kù)研究

2.1 方法庫(kù)中的方法組成

方法是指在自然科學(xué)領(lǐng)域中所采用的基本算法和過(guò)程，如圖4所示，包括基本數(shù)學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法、優(yōu)化方法和預(yù)測(cè)方法等。目前常用的做法是將方法嵌入業(yè)務(wù)程序中，但該做法會(huì)增加方法維護(hù)管理的復(fù)雜度。為了將方法代碼和業(yè)務(wù)代碼解耦，引入Rserver和Rsession將方法代碼用R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)并封裝。

2.2 方法庫(kù)設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)方法庫(kù)的方法進(jìn)行管理和調(diào)用，決策支持系統(tǒng)中的方法庫(kù)由方法程序庫(kù)和方法描述表組成。方法程序庫(kù)以文件形式存儲(chǔ)方法程序塊，方法描述表存儲(chǔ)方法描述信息，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系存儲(chǔ)。

2.2.1 基于R語(yǔ)言的方法程序庫(kù)設(shè)計(jì) 統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法是人工林經(jīng)營(yíng)模型生成和更新的常用方法，本研究以林業(yè)常用回歸方法為例，采用R語(yǔ)言依次對(duì)方法進(jìn)行程序包開(kāi)發(fā)，并將方法程序以R執(zhí)行文件形式保存。每種方法生成一個(gè)R語(yǔ)言程序包，存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的文件夾下，具體如表3所示。

2.2.2 方法描述表設(shè)計(jì) 為了方便對(duì)方法庫(kù)的方法進(jìn)行管理和調(diào)用，方法描述表中需要存儲(chǔ)方法的描述信息和方法程序包的調(diào)用地址。另外，為了記錄方法庫(kù)的使用情況，需設(shè)置一種方法調(diào)用記錄表。具體表的關(guān)系模式如下：

方法描述表(方法編號(hào)、方法名、方法說(shuō)明、參數(shù)組成、輸出值類型、是否方法組合、組合方式、組合編號(hào)、組合方法執(zhí)行順序號(hào)、程序包路徑、備注)；

方法調(diào)用記錄表(方法編號(hào)、調(diào)用日期、方法輸入數(shù)據(jù)、方法輸出結(jié)果、備注)。

在方法描述表中，程序包路徑字段存放R語(yǔ)言程序包的路徑，方法被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)該路徑去獲取方法程序包運(yùn)行。

圖4 方法庫(kù)中的方法模塊Fig.4 Method module diagram in method library

表3 基于R語(yǔ)言的方法程序①Tab.3 A list of methods programs based on the R language

續(xù)表3 Continued

① “—”表示此內(nèi)容本研究暫未涉及?！啊眎ndicates that this study is not yet relevant.

2.3 方法解析流程

方法庫(kù)中各方法使用R語(yǔ)言程序進(jìn)行封裝，通過(guò)Rserver服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，并將方法的描述存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，調(diào)用通過(guò)Rsession完成，如圖5所示。

方法解析流程是查找方法運(yùn)行計(jì)算結(jié)果的過(guò)程。首先根據(jù)傳入的方法ID去方法庫(kù)中查詢具體方法，然后調(diào)出方法信息，提出方法程序包，將實(shí)參輸入，使用Rsession調(diào)用并執(zhí)行程序包文件，計(jì)算出結(jié)果后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸格式輸出。具體的方法解析流程如圖6所示。

圖5 方法庫(kù)調(diào)用示意Fig.5 Method call diagrammatic sketch

圖6 方法解析流程Fig.6 Method call flow diagram

3 模型與方法庫(kù)平臺(tái)服務(wù)模式

3.1 面向服務(wù)的模型與方法庫(kù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖7 模型與方法庫(kù)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The model library and method library management system structure

為了滿足模型與方法的統(tǒng)一管理，并實(shí)現(xiàn)面向大眾和應(yīng)用的模型與方法服務(wù)，設(shè)計(jì)模型與方法庫(kù)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖7所示，模型庫(kù)與方法庫(kù)系統(tǒng)分別提供了基于API調(diào)用的接口服務(wù)和用戶使用界面，前者為人工林經(jīng)營(yíng)決策支持系統(tǒng)提供模型管理、計(jì)算與方法管理、運(yùn)算服務(wù)， 后者為系統(tǒng)使用者提供模型查詢計(jì)算與方法查詢計(jì)算功能。另外，模型庫(kù)和方法庫(kù)管理系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)中間件，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型庫(kù)的更新。

模型與方法庫(kù)平臺(tái)系統(tǒng)原型的研建使用Java EE、Spring MVC、Hibernate、Jquery與Bootstrap等技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，模型與方法的調(diào)用使用基于HTTP協(xié)議構(gòu)建的API。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.8 Technical architecture of subsystem

3.2 面向服務(wù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模型與方法庫(kù)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立的2種方式(API和界面)調(diào)用模型與方法，無(wú)論是以API方式還是以界面方式調(diào)用模型與方法，都需要提供查詢和計(jì)算功能。實(shí)現(xiàn)這2種方式，必須有良好的數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)面向服務(wù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)模型與方法服務(wù)模型的基礎(chǔ)。本研究在模型與方法基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用符號(hào)化表達(dá)法以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)模型調(diào)用和方法調(diào)用過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸格式。

1) 模型調(diào)用過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸格式 調(diào)用模型庫(kù)中的模型時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸格式采用符號(hào)化方法對(duì)模型進(jìn)行表達(dá)，格式如下：

ForestryModel=(ModelDic，ModelDes，ModelResult，Time)。

式中：ModelDic是模型基本描述信息； ModelDes是模型具體信息； ModelResult是模型計(jì)算結(jié)果； Time是模型調(diào)用時(shí)間。

ModelDic=(ModelId，ModelName，ModelClassName，ModelForm，ModelTreeName，ModelArea，ModelExplain，ModelAuthors，Country，Email，Remark)。

式中：ModelId∈Integer是系統(tǒng)內(nèi)部定義的模型編號(hào)；ModelName∈String是模型名稱；ModelClassName∈String是模型類別名稱；ModelForm∈String是模型形式(數(shù)據(jù)表示、程序表示)；ModelTreeName∈String是模型適合的樹(shù)種名稱；ModelArea∈String是模型適合的地區(qū)名稱；ModelExplain∈String是對(duì)模型的解釋說(shuō)明；ModelAuthors∈String是模型作者；Country∈String是模型作者所在國(guó)家；Email∈String是作者郵件地址；Remark∈String是模型表述的備注信息。

ModelDes=(ModelId，ModelAlgebraicExpression，ModelParams，Remark)。

式中：ModelId∈Integer是系統(tǒng)內(nèi)部定義的模型編號(hào)；ModelAlgebraicExpression∈String是模型的代數(shù)表達(dá)式(如果模型使用的是程序包，則填“無(wú)”，并在Remark中填入“程序包”)；ModelParams∈String是模型的自變量參數(shù)列表；Remark∈String是模型表述的備注信息。

ModelResult∈String，是模型調(diào)用后的結(jié)果。

Time∈Date，是模型調(diào)用時(shí)的時(shí)間戳。

基于以上分析，使用輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式JSON(JavaScript Object Notation)作為數(shù)據(jù)傳輸格式。定義模型調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式如下：

{"ForestryModel":

"ModelDic":{ ∥模型基本描述信息

"ModelId":"XXX", ∥模型編號(hào)

"ModelName":"XXX", ∥模型名稱

"ModelClassName":"XXX", ∥模型類別名稱

"ModelTreeName":"XXX", ∥模型適用樹(shù)種名稱

"ModelArea":"XXX", ∥模型使用地區(qū)名稱

"ModelExplain":"XXX", ∥模型解釋說(shuō)明

"ModelAuthors":"XXX”, ∥模型作者

"Country":"XXX", ∥作者所在國(guó)家

"Email":"XXX", ∥作者Email

"Remark":"XXX" ∥模型備注信息

},

"ModelDes":{ ∥模型具體信息

"ModelId":"XXX", ∥模型編號(hào)

"ModelAlgebraicExpression": "XXX", ∥模型代數(shù)表達(dá)式

"ModelParams":"XXX", ∥模型自變量參數(shù)列表

"Remark":"XXX" ∥模型具體信息備注

},

"ModelResult":"XXX", ∥模型計(jì)算結(jié)果

"Time":"XXX" ∥模型調(diào)用時(shí)間戳

}

2) 方法調(diào)用過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸格式 調(diào)用方法庫(kù)中的方法時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸格式采用采用符號(hào)化方法對(duì)方法進(jìn)行表達(dá)，格式如下：

ForestryAlgorithm=(AlgorithmDic，AlgorithmDes，AlgorithmResult，Time)。

式中：AlgorithmDic是方法基本描述信息； AlgorithmDes是方法具體信息； AlgorithmResult是方法計(jì)算結(jié)果； Time是方法調(diào)用時(shí)間。

AlgorithmDic=(AlgorithmId，AlgorithmName，AlgorithmExplain，AlgorithmParams，AlgorithmOutputType，IsGroup，GroupType，Remark)。

式中：AlgorithmId∈Int是系統(tǒng)內(nèi)部定義的方法編號(hào)；AlgorithmName∈String是方法名稱；AlgorithmExplain∈String是對(duì)方法的解釋說(shuō)明；AlgorithmParams∈String是方法輸入?yún)?shù)列表；AlgorithmOutputType∈String是方法輸出結(jié)果說(shuō)明(數(shù)值型/代數(shù)表達(dá)式型)；IsGroup∈String說(shuō)明方法是以組合形式運(yùn)行還以單個(gè)方法運(yùn)行；GroupType∈String代表方法的組合方式[串聯(lián)： N1，N2…Nn/并聯(lián)： N1，N2…Nn/(Ni代表方法編號(hào))];Remark∈String是方法表述的備注信息。

AlgorithmDes=(AlgorithmId，Remark)。

式中：AlgorithmId∈Int是系統(tǒng)內(nèi)部定義的方法編號(hào)；Remark∈String是方法表述的備注信息。

AlgorithmResult∈String，是方法調(diào)用后的結(jié)果。

Time∈Date，是方法調(diào)用時(shí)的時(shí)間戳。

方法庫(kù)調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式參照模型調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式生成，具體如下：

{"ForestryAlgorithm":

"AlgorithmDic":{ ∥方法基本描述信息

"AlgorithmId":"XXX", ∥方法編號(hào)

"AlgorithmName":"XXX", ∥方法名稱

"AlgorithmExplain":"XXX", ∥方法解釋說(shuō)明

"AlgorithmParams":"XXX", ∥方法參數(shù)說(shuō)明

"AlgorithmOutputType":"XXX", ∥方法輸出結(jié)果說(shuō)明

"IsGroup":"XXX", ∥是否為組合方法

"GroupType":"XXX" ∥組合方式

"Remark":"XXX" ∥方法備注信息

},

"AlgorithmDes":{ ∥方法具體信息

"AlgorithmId":"XXX", ∥方法編號(hào)

"AlgorithmURL":"XXX", ∥方法程序包存放地址

"Remark":"XXX" ∥方法具體備注信息

},

"AlgorithmResult":"XXX", ∥方法運(yùn)算結(jié)果

"Time":"XXX" ∥方法調(diào)用時(shí)間戳

}

當(dāng)模型和方法庫(kù)平臺(tái)與其他應(yīng)用系統(tǒng)或平臺(tái)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，使用以上定義好的數(shù)據(jù)交互格式可以提高調(diào)用的規(guī)范化和便捷性。

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

平臺(tái)使用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)模型(圖9)與方法(圖10)的存儲(chǔ)，目前存儲(chǔ)了廣西、福建等在內(nèi)的人工林胸徑、斷面積、樹(shù)高、蓄積、地位指數(shù)、林分密度指數(shù)等生長(zhǎng)收獲模型以及各種線性與非線性擬合方法等。平臺(tái)可提供API調(diào)用和友好的用戶使用界面功能2種服務(wù)方式： API接口是為人工林經(jīng)營(yíng)輔助決策等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供模型、方法調(diào)用服務(wù)的，業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)HTTP請(qǐng)求的方式，用GET或POST方法向平臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求，平臺(tái)計(jì)算出結(jié)果后將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)返回給業(yè)務(wù)系統(tǒng)； 友好的用戶使用界面為用戶提供模型、方法基本信息的查詢、調(diào)用說(shuō)明以及模型計(jì)算等功能。本研究以福建某國(guó)有林場(chǎng)人工林林分收獲模擬過(guò)程為應(yīng)用場(chǎng)景，說(shuō)明模型的計(jì)算調(diào)用運(yùn)行過(guò)程； 以地位指數(shù)方程的擬合構(gòu)建為例，說(shuō)明非線性擬合方法的計(jì)算調(diào)用運(yùn)行過(guò)程。

4.1 模型庫(kù)調(diào)用實(shí)例

以福建杉木(Cunninghamialanceolata)全林分平均胸徑模型調(diào)用計(jì)算為例，分別通過(guò)API和頁(yè)面2種調(diào)用方式給出模型庫(kù)調(diào)用實(shí)例。

1) API調(diào)用 調(diào)用福建杉木全林分平均胸徑模型，地位指數(shù)為18，林分密度為2 000株·hm-2，預(yù)估10、15、20、25、30林齡的林分平均胸徑，模型調(diào)用說(shuō)明如表4所示，整理計(jì)算機(jī)結(jié)果如表5所示。

圖9 模型表存儲(chǔ)實(shí)例Fig.9 Model table storage

表4 模型API調(diào)用說(shuō)明Tab.4 Model API call description

表5 杉木人工林林分平均胸徑模擬(SI=18)Tab.5 Simulation of mean BDH of Chinese fir plantation(SI=18)

2) 頁(yè)面調(diào)用 與API調(diào)用對(duì)應(yīng)，使用頁(yè)面調(diào)用福建杉木人工林全林分平均胸徑模型，地位指數(shù)為18，林分密度為2 000株·hm-2，預(yù)估10、15、20、25、30林齡的林分平均胸徑。調(diào)用時(shí)，進(jìn)入如圖11所示福建杉木人工林全林分平均胸徑模型計(jì)算交互頁(yè)面，在模型計(jì)算對(duì)話框中輸入地位指數(shù)： 18，密度： 2 000，林齡： 10、15、20、25、30，點(diǎn)擊“調(diào)用計(jì)算”按鈕即可得到計(jì)算結(jié)果。

4.2 方法庫(kù)調(diào)用實(shí)例

以福建杉木地位指數(shù)方程擬合為例，使用Richards理論生長(zhǎng)方程作為原型，采用代數(shù)差分法構(gòu)建地位指數(shù)方程。

1) API調(diào)用 選擇以a為自由參數(shù)對(duì)Richards理論生長(zhǎng)方程進(jìn)行變換得到公式： HT2～HT1*{{[1-exp(-b*T2)]/[1-exp(-b*T1)]}^c}，使用來(lái)自福建省兩期固定復(fù)測(cè)樣地(212塊)數(shù)據(jù)對(duì)以上公式進(jìn)行擬合，其中，T1為第1期的林齡，HT1為第1期的優(yōu)勢(shì)木高，T2為第2期的林齡，HT2為第2期的優(yōu)勢(shì)木高。數(shù)據(jù)示例如表6所示。

表6 固定復(fù)測(cè)樣地林齡與優(yōu)勢(shì)木高數(shù)據(jù)示例Tab.6 Fixed re-test sample forest age and superior wood height data

調(diào)用非線性回歸方法，參數(shù)分別為擬合公式formula=‘HT2～HT1*{{[1-exp(-b*T2)]/[1-exp(-b*T1)]}^c}’；b=0.105 636,c=1.139 241 (初始參數(shù)值)；T1=14,16,18,20,14,…；T2=19,21,23,25,19,…； HT1=3.2,7.6,8.6,7.5,8.1,…； HT2=5.9,5,5,8.5,13.5,…； 不同參數(shù)之間以&符號(hào)隔開(kāi)； 平臺(tái)擬合后將結(jié)果返回。具體調(diào)用說(shuō)明如表7所示。

表7 方法API調(diào)用說(shuō)明Tab.7 Method API call description

其他非線性擬合方法調(diào)用與表7中的調(diào)用方式類似，用戶可根據(jù)擬合的返回結(jié)果判斷擬合效果，選擇擬合效果好的模型補(bǔ)充到模型表中。

2) 頁(yè)面調(diào)用 采用與API調(diào)用同樣的應(yīng)用場(chǎng)景，使用頁(yè)面的方式調(diào)用非線性回歸方法。 在方法庫(kù)頁(yè)面中選擇非線性回歸方法，將數(shù)據(jù)寫入如圖12所示的擬合數(shù)據(jù)文件(文件為Excel類型)，然后點(diǎn)擊“上傳數(shù)據(jù)文件”按鈕，將填寫好的數(shù)據(jù)文件上傳； 在圖13的參數(shù)對(duì)話框中分別填寫擬合公式和初始參數(shù)值。平臺(tái)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果返回，如圖13的頁(yè)面顯示。

圖12 方法調(diào)用擬合數(shù)據(jù)模板Fig.12 Method call fitting data template

圖13 方法調(diào)用接口說(shuō)明界面Fig.13 Method call interface description interface

5 結(jié)論

本研究應(yīng)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合R語(yǔ)言程序封裝方法構(gòu)建了通用性強(qiáng)的模型庫(kù)和方法庫(kù)，采用數(shù)據(jù)表示法和程序表示法分別表達(dá)人工林經(jīng)營(yíng)中數(shù)學(xué)公式型模型和程序塊型模型，針對(duì)數(shù)據(jù)表達(dá)的模型，使用詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析等方法實(shí)現(xiàn)模型的解析計(jì)算，針對(duì)程序表達(dá)的模型，利用Rsession實(shí)現(xiàn)程序模型的調(diào)用計(jì)算，同時(shí)利用Rsession實(shí)現(xiàn)對(duì)方法庫(kù)中方法的管理和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了模型、方法的管理更新與業(yè)務(wù)代碼的分離，降低了模型、方法的管理和使用復(fù)雜度。通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)模型庫(kù)與方法庫(kù)的API調(diào)用奠定了基礎(chǔ)，使模型庫(kù)與方法庫(kù)具備了面向用戶的界面使用服務(wù)與程序級(jí)調(diào)用服務(wù)功能。